Plantwide control of alkaline water electrolyzer plant for hydrogen production

Abstract

I arbeidet med å dempe klimagassutslipp er utvikling av teknologier som reduserer avhengigheten av fossile brenselbaserte energikilder uunnværlig. For tiden tilbyr hydrogenbaserte teknologier som involverer utvikling av det store skalaelektrolyseanlegget en av de mest lovende løsningene for fremtidens energiøkonomi. Dette prosjektet har som mål å utvikle en plantestrukturert kontrollstruktur for et topp moderne alkalisk vannelektrolyseranlegg. Dette avhandlingsarbeidet er del av et samarbeidsprosjekt mellom NTNU Norge og Yara International ASA. For det første, basert på spesifikasjonene fra leverandøren [27], introduseres et forenklet flytskjema for topp moderne elektrolyseringsanlegg. Dette flytskiktet består av fire delprosesser, dvs. elektrolysersammenstilling, lut-sirkulasjonssystem, kompressor og gasslagringssystemet. Designparametrene for strømningsarket som lut (dvs. 30% vandig KOH) strømmer inn i elektrolysatoren, kjølevæskestrømningshastigheten og volumet til buffertanken. Den utviklede matematiske modellen for anlegget bruker empiriske korrelasjoner gitt av Ulleberg [45] for å definere de involverte overspenningene i elektrolysatorene.

Avhengig av funksjonene i delprosessene i flytskjemaet, er det totalt 12 forskjellige flytskjoldkonstruksjoner mulig. Alle disse flytskjoldkonstruksjonene blir systematisk studert, og det beste designet er valgt. Å studere alle flytskjoldkonstruksjonene gjorde det mulig for oss å bestemme designbasis for kjøleren i lutesirkulasjonssløyfen, variasjonen i innløpsludstrømningshastigheten og hvorvidt balansen i plantesystemer skal deles eller ikke. Det valgte flytskiltdesignet gir den beste avveiningen mellom driftsmessige fordeler og kapitalinvesteringer.

Til slutt foreslås kontrollstrukturdesign for den valgte flytskjoldkonstruksjonen. Integrasjonen av elektrolysatoren med fornybare energikilder som elektrisitet fra vind- eller solparker gir opphav til forstyrrelser i inngangskraften. Driftsregioner og de aktive begrensningene påvirkes av endringene i den totale inngangseffekten, og rekonfigurering av kontrollsløyfene er nødvendig for å oppnå optimal ytelse med jevn tilstand. De typiske modellbaserte optimaliseringsteknikkene, som modell prediktiv kontroll (MPC), kan gi enkel håndtering av skiftende begrensninger uten behov for rekonfigurasjon og kan oppnå en jevn overgang mellom de aktive begrensningsregionene. Slike tilnærminger krever imidlertid identifisering av den faktiske anleggsmodellen ved å bruke prosessdata. Denne modellen krever betydelig utviklingstid, kostnader og regelmessig vedlikehold for å matche den faktiske planteoppførselen. Derfor foreslår dette arbeidet utformingen av det kontrollerende kontrolllaget ved bruk av klassiske avanserte kontrollstrukturer som selektorer, delt rekkevidde kontroll. Den foreslåtte kontrollstrukturen antyder å bytte logikk for å veksle mellom de aktive begrensningsregionene. Dermed demonstrerer dette prosjektet bruken av PI (D) baserte kontrollstrukturer for å oppnå optimal drift for et moderne elektrolyseanlegg.

In the efforts to mitigate greenhouse gas emissions, the development of technologies that reduce dependence on fossil fuel-based energy sources is indispensable. At present, hydrogen-based technologies involving the development of the large-scale water electrolysis plant offers one of the most promising solutions for the future energy economy. This project aims to develop a plantwide control structure for a state of the art alkaline water electrolyzer plant. This thesis work is part of a collaboration project between NTNU Norway and Yara International ASA. First, based on the specifications from the supplier [27], a simplified flowsheet for the state of the art electrolyzer plant is introduced. This flowsheet consists of four sub-processes, i.e. electrolyzer assembly, lye circulation system, compressor, and the gas storage system. The design parameters for the flowsheet like lye(i.e. 30% aq. KOH) flowrate into the electrolyzer, coolant flow rate and volume of the buffer tank are estimated. The developed mathematical model of the plant uses empirical correlations given by Ulleberg [45] to define the involved overvoltages in the electrolyzers.

Depending on the features of the sub-processes in the flowsheet, there are in total 12 different flowsheet designs possible. All these flowsheet designs are systematically studied, and the best design is selected. Studying all the flowsheet designs enabled us to decide on the design basis of the cooler in the lye circulation loop, the variability of the inlet lye flowrate, and whether or not the balance of plant systems should be shared. The selected flowsheet design provides the best trade-off between operational benefits and capital investment.

Lastly, the control structure design is suggested for the selected flowsheet design. The integration of the electrolyzer with renewable energy sources like electricity from wind or solar farms give rise to disturbances in the input power. Operating regions and the active constraints are affected by the changes in the total input power and reconfiguration of the control loops is required to achieve steady-state optimal performance. The typical model-based optimization techniques like model predictive control (MPC), can provide easy handling of changing constraints with no need for reconfiguration and can achieve a smooth transition between the active constraint regions. However, such approaches require identification of the actual plant model using process data. This model requires significant development time, cost, and regular maintenance to match the actual plant behavior. Therefore, this work suggests the design of the supervisory control layer using classical advanced control structures like selectors, split range control. The proposed control structure suggests switching logic to switch between the active constraint regions. Thus, this project demonstrates the use of PI(D) based control structures to achieve optimal operation for a state of the art electrolyzer plant.